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  <title>《第一推动丛书 · 物理系列 · 宇宙的琴弦》读书笔记 | 姜勇的博客</title>
  






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          《第一推动丛书 · 物理系列 · 宇宙的琴弦》读书笔记
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            <div class="post-description">读书笔记 - 科普类 - 《第一推动丛书 · 物理系列 · 宇宙的琴弦》</div>

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        <h2 id="基本信息"><a href="#基本信息" class="headerlink" title="基本信息"></a>基本信息</h2><ul>
<li>作者：B · 格林</li>
<li>出版社：湖南科学技术出版社</li>
<li>阅读进度：100%</li>
<li>阅读日期：2020年</li>
<li>书籍来源：微信阅读</li>
</ul>
<h2 id="内容概要"><a href="#内容概要" class="headerlink" title="内容概要"></a>内容概要</h2><p>本书从相对论与量子力学入手，讲述了两个理论在描述宇宙过程中存在的一些问题：相对的数学基础是黎曼几何，其假设时空是平坦、光滑的，而量子力学的测不准原理则表明在微观尺度上的时空存在着剧烈的涨落，简单地将二者结合起来势必会导致在微观尺度下引力的积分产生无穷大的结果。</p>
<p>此外，我们知道宇宙中存在着四种基本力，即引力、电磁力、强相互作用力、弱相互作用力。其中的引力和电磁力比较常见，弱相互作用是一些与放射性衰变相关的力，强相互作用是原子核内部的力。目前，弱电理论将电磁力与弱相互作用统一了，而标准模型则将电磁力、强相互作用与弱相互作用都包含在内。但四种基本力大统一的万物理论（TOE）则迟迟见不到光明。</p>
<p>在某些地方，例如宇宙大爆炸之初可能的“奇点”或者黑洞内部，质量极大，体积极小，是同时需要用相对论和量子力学来描述的，而这二者之间的矛盾就需要一个理论来解决，这就是弦论的诞生为了解决的问题。</p>
<p>此前用来描述宇宙的理论中，将基本粒子都视为点粒子，没有长度、没有体积。但弦论认为，宇宙万物的最基本单位是弦，弦是一维的，甚至可以是二维的，只是一维的弦以目前数学的能力是还可以建模处理的。弦论认为，所有的基本粒子，包括电子、质子、中子、光子，其本质都是弦，而弦的不同震动模式使得其表现为不同的粒子（具有不同的质量、电荷）。弦振动的能量越高，粒子的质量也越高。</p>
<p>弦论提出之后也遭遇过失败与被遗弃，但研究者们的不断完善与修补使得其最终发展壮大。</p>
<p>但到目前为止，无法做到用实验来证实弦论的真实性。弦论的确具有数学上的美观性，但其证实其真实性所需要的能量太大了，以目前的科技是无法做到的。但愿未来科技能够发展到这个高度。</p>
<h2 id="阅读心得"><a href="#阅读心得" class="headerlink" title="阅读心得"></a>阅读心得</h2><p>终于理解了一些概念，但对弦论还是一知半解。</p>
<p>在对称性方面，我总算初步明白了对称性破缺意思。温度的下降会造成对称性的破缺，一个最简单的例子是，液态水的分子结构是各向同性的，而温度下降使其变为冰之后，冰的晶体结构非各向同性，这就使得原本水的对称性遭到了破坏。而放到其他的物理规律上同样适用，在宇宙大爆炸之初，弱相互作用与电磁力是统一的，而随着温度的下降这个统一的力遭到了破坏，才产生了电磁力与弱相互作用力。因此也会有这样的疑问：在宇宙大爆炸之初，四种力是统一的吗？</p>
<p>在阅读《宇宙的琴弦》过程中，还有一些非常有趣的点以及由此引申出我想到的一些有意思的点，没准可以加到我以后要写的科幻小说中：</p>
<ol>
<li>维度展开的传染性可以说明宇宙的加速膨胀；</li>
<li>黑洞纪的“人类”偶然得到的关于宇宙发展历史的信息，由此开辟出一个新宇宙的故事；</li>
<li>如何从一个最基本的构造设定（例如弦），推导出如今的大千世界；</li>
<li>在弦论中推导出来的一些与我们物理规律不同的宇宙中，会发生什么样的故事呢？</li>
<li>不同宇宙的分类：数学规律不同、物理规律不同、化学规律不同，等等。</li>
</ol>
<h2 id="重点摘录"><a href="#重点摘录" class="headerlink" title="重点摘录"></a>重点摘录</h2><ul>
<li><strong>现代物理学所依赖的是两大支柱</strong>。一个是爱因斯坦的<strong>相对论</strong>，它为我们从大尺度认识宇宙（如恒星、星系、星系团以及比它们更大的宇宙自身的膨胀）提供了理论框架；另一个是<strong>量子力学</strong>，我们用这个框架认识了小尺度下的宇宙：分子、原子以及比原子更小的粒子，如电子和夸克。</li>
<li>弦理论有能力证明，发生在宇宙间的一切奇妙的事情——从亚原子世界里夸克疯狂的舞蹈，到太空中飞旋双星高雅的华尔兹；从大爆炸的原初火球，到星河的壮丽旋涡——都体现着一个伟大的物理学原理，一个伟大的数学方程。</li>
<li>夸克本身有两种，它们的名字不那么有创意，一个叫上，一个叫下。质子由两个上夸克和一个下夸克组成，中子由两个下夸克和一个上夸克组成。</li>
<li>如果弦理论是正确的，我们宇宙的微观结构将是一座错综复杂的多维迷宫，宇宙的弦在其中不停歇地卷曲、振动，和谐地奏响宇宙的旋律。大自然基本组成的性质绝不是偶然的，而是深刻地与时空结构交织在一起的。</li>
<li>弦理论是21世纪物理学偶然落到20世纪的一个部分。</li>
<li>弦理论不过是更宏大的综合理论的一部分——那个理论现在（颇为神秘地）叫M-理论。</li>
<li>狭义相对论首先关心的是，相对运动着的个人（通常叫“观察者”）所看到的世界是什么样的。</li>
<li><strong>相对运动的观察者不再会看到相同的空间和时间。</strong></li>
<li>这个例子抓住了相对性原理的精神：<strong>运动的概念是相对的</strong>。只有在相对于其他事物或与其他事物比较时，我们才能谈一个物体的运动。</li>
<li>如果不与“外面的”事物进行比较，你就不可能知道自己处在什么运动状态。根本没有什么“绝对的”匀速运动，只有比较才有物理意义。</li>
<li>不论你迎着光还是追着光跑，它靠近或离开你的速度是不会改变的，都是每小时10.8亿千米。<strong>不论光子源与观测者如何相对运动，光速总是一样的</strong>。</li>
<li>换句话讲，如果两个观察者是相对运动的，那么在一个人看来同时发生的事情，在另一个人看来是不同时的。</li>
<li>当然，“完全规则的循环运动”也隐含着时间的概念，因为“规则”指的正是每一个循环经历相同的时间间隔。</li>
<li>运动如何影响时间的流逝，也就是说，如何根本地影响任何钟的节律，而与钟的具体设计和构造无关。</li>
<li>不过我们需要明白，不光是空间维分解运动，时间维也能“分享”运动。</li>
<li>因此，光不会变老；<strong>从大爆炸出来的光子在今天仍然是过去的样子</strong>。在光速下，没有时间的流逝。</li>
<li>向上的加速度可以替代引力。我们能以适当的加速运动来模拟引力效应。</li>
<li>爱因斯坦将加速运动与引力的不可分辨的性质称作等效原理。它在广义相对论里起着核心的作用。</li>
<li>但爱因斯坦证明了，在所有加速运动的情形，空间都是弯曲的。</li>
<li>但问题跟着来了：弯曲的空间可以用卷曲的图形来表现，那弯曲的时间是什么呢？</li>
<li>假如时间在不同的位置上有不同的速度，我们就说时间是弯曲的。</li>
<li>据爱因斯坦的观点，<strong>引力就是空间和时间的弯曲</strong>。</li>
<li>根据爱因斯坦的理论，<strong>引力的动因是宇宙的结构</strong>。</li>
<li>爱因斯坦证明，物体在空间（准确说是时空）的运动总沿着可能的最短路线——“可能的最容易的路线”或“阻力最小的路线”。如果空间是弯曲的，这样的路线也会弯曲。</li>
<li><strong>质量牵着空间，告诉空间如何弯曲；空间牵着质量，告诉质量如何运动</strong>。</li>
<li>狭义相对论在高速运动的情形会显著地表现出来；广义相对论则在物体质量大、空间和时间相应地弯曲剧烈时发挥自己的作用。</li>
<li>理论的内在矛盾在推动科学进步中，也起着与实验同等重要的作用。</li>
<li>量子力学绝对地不容争辩地向我们证明了，我们熟悉的寻常世界的许多基本概念，在微观领域不再有任何意义。结果，我们必须极大地改变我们的语言和逻辑，以认识和说明原子和亚原子尺度的宇宙。</li>
<li>光的频率（颜色）决定着射出电子的速度；光的总强度决定着射出电子的数量。</li>
<li>消声器就利用这个道理——它测出输入的声波波形，然后生成与之“相对”的波，使它们相互抵消，消除不需要的噪音。</li>
<li>光电效应证明光具有粒子特性，双缝实验证明光能表现波的干涉特性。两个事实结合起来证明了光同时具有粒子和波的特性。</li>
<li><strong>巨大的光速c遮挡了时间和空间的本性，微小的h则令寻常世界的物质隐藏了它们波动的一面</strong>。</li>
<li>任何想证实量子世界的基本物理量的尝试，都会破坏实验的结果。</li>
<li>在足够高的能量和温度下——如在大爆炸的几分之一秒内——电磁场和弱力场熔化在一起，表现出不可分辨的特征，应该更准确地叫弱电场。<strong>当温度下降，电磁力与弱力便结晶似地分离开来</strong>（分离的过程实际从大爆炸时就开始了），具有与高温下不同的形式——这样一个过程就是有名的“对称破缺”</li>
<li>物理学家把这个关于引力外的三种力和三族物质粒子的理论叫做标准理论，或者，更多的时候称它是粒子物理学的标准模型。</li>
<li>我们说宇宙体现着一种强力对称性：物理学不因力荷的转移而改变——或者说，物理学一点儿也不知道力荷转移了。</li>
<li><strong>广义相对论的核心原理——光滑的空间几何的概念——被小距离尺度的量子世界的剧烈涨落破坏了</strong>。在超微尺度上，量子力学核心的不确定性原理与广义相对论核心的空间（以及时空）的光滑几何模型是针锋相对的。</li>
<li>弦理论的数学结构太美了，还有那么多奇妙的性质，一定关系着什么更深层的东西。</li>
<li>这些闭合的弦一般是普朗克长度的尺度，大约是原子核的一万亿亿分之一（小数点后面19个零）。</li>
<li>依照弦理论，一个基本“粒子”的性质——它的质量和不同的力荷——是由它内部的弦产生的精确的共振模式决定的。</li>
<li>依照弦理论，每种基本粒子所表现的性质都源自它内部的弦经历着特别的共振模式。</li>
<li>振动弦的能量由两样东西决定：振动的准确模式（振动越疯狂，能量越高）和弦的张力（张力越大，能量越高）。</li>
<li><strong>在广义相对论里空间和时间形成一个光滑弯曲的几何结构；而在量子力学中，宇宙万物，包括空间和时间，都在经历着量子涨落，而且，在越小的距离尺度上，涨落越剧烈。在普朗克尺度以下，疯狂的量子涨落打破了光滑弯曲的几何概念，也就推倒了广义相对论的基础。</strong></li>
<li>在亚原子尺度，量子概念取代了经典逻辑，粒子探针灵敏度的最恰当的度量是它的量子波长，波长表明了它的位置有多大的不确定性。</li>
<li>在弦理论定律主宰的宇宙中，我们不能再像传统那样把大自然无限地分割下去。分割是有极限的，</li>
<li>所以，从某种意义说，当代理论物理学的核心矛盾是我们自己造出来的问题。</li>
<li>因为弦是有空间大小的，它们在空间的什么地方、在什么时刻第一次发生相互作用，不可能有明确的位置——那依赖于观察者的运动状态。</li>
<li>宇宙的每一个电子总是永远地以固定不变的速率旋转。<strong>电子自旋不是我们习惯的那类物体偶然发生的短暂的旋转运动，而是一种内禀的性质，跟它的质量和电荷一样。</strong>如果电子没有自旋，它也就不是电子了。</li>
<li>在玻色子弦理论中，有一种振动模式的质量（更准确说是质量的平方）是负的——即所谓的快子。</li>
<li>我们宇宙的空间结构既有延展的维，也有卷缩的维。就是说，我们的宇宙有像水管在水平方向延伸的、大的、容易看到的维——我们寻常经历的三维；也有像水管在横向上的圆圈那样的卷缩的维——这些多余的维紧紧卷缩在一个微小的空间，即使用我们最精密的实验仪器也远不能探测它们。</li>
<li>为了让弦理论有意义，宇宙应该是10维的：9个空间维，1个时间维。</li>
<li><strong>从宇宙学的观点看，我们可以想象所有的维原来都是紧紧卷缩着的，然后，3个空间维和1个时间维在大爆炸中展开，一直膨胀到今天的尺度；而其余的空间维仍然卷缩在一起。</strong></li>
<li>当弦在卷缩维振动时，卡-丘空间孔洞的分布和孔洞周围的空间褶皱方式将直接影响可能的共振模式。</li>
<li>在超微观的领域，弦的延展本性意味着黎曼几何肯定不会是正确的数学形式。正如我们即将看到的，它将被弦理论的量子几何所取代，我们将面临一些崭新的意想不到的特征。</li>
<li>弦理论以一种奇异的方式为物理学能达到的距离尺度确立了一个下限，它声称宇宙在任何空间维上都不可能收缩到普朗克长度以下。</li>
<li>缠绕的弦有一个极小质量，取决于卷缩维的大小和缠绕的圈数。弦的振动则决定超过极小质量的那部分质量。</li>
<li>如果弦理论是对的，这个宇宙与一个展开维的半径只有1/R=1/1E61=1E-61普朗克长度的宇宙在物理学上是一样的！</li>
<li>在这个意义上，我们可以认为宇宙既可能像我们寻常感觉的那么大，也可能小得可怜。根据轻弦模式，宇宙是巨大而膨胀的；而据重弦模式，宇宙是渺小而卷缩的。这里没有矛盾，而是存在着两种不同然而却同样合理的距离定义。</li>
<li>评价虫洞是真还是假，基本的一点在于决定空间结构是否可能破裂。</li>
<li>还在弦理论发现之前，就有物理学家猜想，量子力学与广义相对论的恰当结合将证明，那种表面的空间破裂实际上会被量子行为平滑掉——也可以说，破裂的空间又被“缝合”起来了。</li>
<li>所有物理学理论都包含着两个部分。一部分是理论的基本思想，通常由数学方程表达；另一部分则由这些方程的解组成。</li>
<li>一个理论的强耦合物理可以用另一个理论的弱耦合图景来描绘，这个重要的新结果叫强弱对偶性。</li>
<li><strong>黑洞可能本来就是巨大的基本粒子。</strong></li>
<li>于是我们发现，当卡-丘空间经过空间破裂锥形变换时，原来的大质量黑洞会越来越轻，最后转化为一个没有质量的粒子——如零质量的光子——在弦理论中，那不是别的，就是一根以某种特别方式振动的弦。这样，弦理论第一次明确地在黑洞和基本粒子间建立起了直接具体而且在定量上无懈可击的联系。</li>
<li>简单地说，表示熵的数就是一个物理系统的组成元素在不影响整体表现情况下的所有可能组合方式的数量。</li>
<li>当温度降到几千开时，汹涌的电子流慢慢流向原子核（多数是氢和氦），原子核捕获住它们，第一次形成电中性的原子。这是重要的一刻：大体上说，从这一时刻开始，宇宙变得透明了。在电子捕获这一幕之前，宇宙充满了带电的等离子体——有些带正电，如原子核；有些带负电，如电子。只与带电体发生相互作用的光子，落在深深的带电粒子的汪洋里，不停歇地碰撞挤压，要么被偏转，要么被吸收，几乎穿越不了多少距离。因为带电粒子的屏障作用，光子不能自由运动，所以宇宙几乎完全是不透明的，就像在经历浓雾弥漫的早晨，或者遮天蔽日的沙尘暴。但是，当带负电的电子走进带正电的核的轨道，生成电中性的原子以后，带电的屏障消失了，浓雾散开了。从那时起，来自大爆炸的光子就无阻碍地漫游，整个宇宙也慢慢清澈明亮了。</li>
<li>在宇宙的每个立方米——包括你占据的那个——大约有4亿个光子，它们一起汇成宇宙微波辐射的汪洋，荡漾着宇宙创生的回响。当电视台没有节目时，你看到荧屏上的那些“雪花”，有的就来自大爆炸遗留的暗淡微波。理论与实验的一致，证实了大爆炸之后（ATB）几十万年以来——光子第一次在宇宙自由穿行以来——宇宙演化的图景。</li>
<li>详细计算表明，<strong>现在相隔遥远的空间区域没有办法实现能量交换，从而解释不了为什么它们会有相同的温度</strong>。物理学家把这个解释不了的宇宙大范围的温度均匀性问题称为“视界问题”——视界在这里说的是我们能看多远；或者也可以说，光能走多远。</li>
<li>每个时代都有一个转折点，都有一种新的认识和评判世界秩序的方法。</li>
</ul>
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    <strong>本文作者： </strong>ChiangYung
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    <strong>版权声明： </strong>本博客所有文章除特别声明外，均采用 <a href="https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/" rel="noopener" target="_blank"><i class="fab fa-fw fa-creative-commons"></i>BY-NC-SA</a> 许可协议。转载请注明出处！
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